Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Исследование характеристик и параметров полевых транзисторов с управляющим p-n переходом

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине "Электроника" для студентов всех форм обучения направления 210300 – Радиотехника; направления 210300 – Радиотехника по специальностям: 210302 – Радиотехника; 210304 – Радиоэлектронные системы; направления 210400 – Телекоммуникация по специальностям: 210406 – Сети связи и системы коммутации; 210402 – Средства связи с подвижными объектами

Екатеринбург 2008

УДК 621.381

Составители Н.С. Устыленко, В.И. Елфимов

Научный редактор проф., канд. техн. наук А.А. Калмыков.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N ПЕРЕХОДОМ: Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине “Электроника” для студентов всех форм обучения направления 210300 – Радиотехника; направления 210300 – Радиотехника по специальностям: 210302 – Радиотехника; 210304 – Радиоэлектронные системы; направления 210400 – Телекоммуникация по специальностям: 210406 – Сети связи и системы коммутации; 210402 – Средства связи с подвижными объектами / Н.С. Устыленко, В.И. Елфимов. Екатеринбург: ГОУ ВПО “УГТУ-УПИ”, 2008. 36 с.

В методических указаниях содержится описание устройства и принципа действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом, определение статических характеристик и параметров, представление эквивалентных схем.

Указания включают схему лабораторной установки, описание лабораторного задания, методику обработки результатов экспериментов, вопросы для самоконтроля и приложения, в которых приводятся справочные данные для ряда полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.

Библиогр. 9 назв. Табл. 1. Рис. 11. Прил. 4.

Подготовлено кафедрой “Радиоэлектроника информационных систем”.

© ГОУ ВПО Уральский государственный

технический университет - УПИ, 2008

1. Цель работы

Ознакомиться с конструкцией полевых транзисторов с управляющим p-n переходом, их принципом действия, характеристиками и параметрами различных транзисторов. Исследовать влияние температуры на характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющим p-n переходом.

2. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

2.1. Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевым транзистором называется электропреобразовательный прибор, пригодный для усиления мощности, ток в котором переносится дрейфовым движением основных носителей заряда, а величина выходного тока регулируется электрическим полем, возникающим при подаче напряжения между затвором и истоком.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом – это полевой транзистор, управление потоком основных носителей в котором происходит с помощью электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении.

Для изготовления полевого транзистора с управляющим p-n переходом берется тонкая, слаболегированная пластинка кремниевого полупроводника (с высоким удельным сопротивлением ) n или p типа. На этой пластинке создают кольцевой электронно-дырочный переход. Тонкий слой полупроводника, ограниченный кольцеобразным p-n переходом, в котором регулируется поток носителей заряда, называется каналом. Наплавка (затвор) сильно легируется примесями. Полевой транзистор содержит один p-n переход и три вывода: исток, сток, затвор. Устройство полевого транзистора показано на рис. 1.

1 - p-n переход; 2 – затвор n⁺ - типа; 3 – наплавка (вывод затвора); 4 – канал p– типа.

Принцип действия полевых транзисторов с каналом n- или p- типов идентичен. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать работу полевых кремниевых транзисторов с управляющим p-n переходом на примере транзистора с каналом p- типа. Электрод полевого транзистора, предназначеннный для регулирования поперечного сечения канала, называется затвором. На него относительно истока подается положительное напряжение. В этом случае p-n переход затвор-исток находится под обратным смещением. Электрод, через который входят в канал основные носители заряда (в нашем примере это дырки), называется истоком, а электрод, через который выходят носители заряда, называется стоком. На сток относительно истока должно подаваться отрицательное напряжение. Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n переходом и каналом p- типа приведена на рис. 2.

Р ис. 2. Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Управление током транзистора основано на изменении сечения канала путем регулирования ширины p-n перехода при подаче входного напряжения (напряжения затвора). На затвор относительно истока подается обратное напряжение, поэтому область p-n перехода будет расширяться в основном в область полупроводника p- типа, так как эта область полупроводника менее легирована, чем область полупроводника n- типа. При подаче напряжения на сток в его цепи потечет ток I_С, создаваемый дырками, движущимися под действием электрического поля. Количество основных носителей зарядов (дырок), участвующих в образовании тока через канал, определяется электрическим полем, воздействующим на p-n переход. Как уже отмечалось, p-n переход включается в обратном направлении. Если на затвор подать положительное напряжение, p-n переход расширяется в соответствии с выражением

, (1)

где - ширина p-n перехода в равновесном состоянии, _К – контактная разность потенциалов, U_ЗИ – напряжение на затворе относительно истока,  - относительная диэлектрическая постоянная, ₀ = 910^-14 Ф/см – абсолютная диэлектрическая постоянная, е = 1,610^-19 Кл - заряд электрона, N_A – концентрация акцепторной примеси, N_Д – концентрация донорной примеси.

Исходная пластинка кремниевого полупроводника p-типа слабо легирована примесями, поэтому N_Д  N_A и с увеличением U_ЗИ расширение p-n перехода (1) произойдет в область полупроводника p-типа, сечение канала уменьшится, а его сопротивление r_К увеличится. Электрическое сопротивление канала r_К зависит от его толщины, ширины и длины:

, (2)

где l_К – длина канала, h – ширина канала, W – толщина канала,  - электропроводность полупроводника p-типа, _р – подвижность дырок, p_Р – концентрация дырок (основных носителей заряда) в области полупроводника p-типа, S_К – сечение канала.

В соответствии с соотношениями (1) и (2) при изменении напряжения на затворе меняется ширина p-n перехода, сечение канала и его электрическое сопротивление, в результате чего будет изменяться величина протекающего тока стока. С увеличением r_К ток стока I_С уменьшается. Сечение канала S_К изменяется неравномерно. Со стороны истока имеется более широкий канал, а со стороны стока сечение канала уменьшается. Это происходит потому, что сечение канала является функцией двух напряжений: S_К = f(U_ЗИ, U_СИ). Напряжение у стока будет больше, чем у истока, поэтому расширение p-n перехода в области стока больше, чем в области истока. Это явление нашло свое отражение на рис.х 1 и 2. Напряжение U_СИ распределяется вдоль канала, оно больше у стока и меньше у истока. За счет этого сечение канала, расположенного со стороны стока, всегда будет значительно меньше, чем со стороны истока (рис. 1,2).

Входной ток полевого транзистора равен току затвора I_ВХ = I_З и он обусловлен только переносом неосновных носителей заряда через p-n переход.

Обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом на принципиальных электрических схемах приведено на рис. 3.

Р ис. 3. Обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n переходом на принципиальных электрических схемах